就地化保护装置流水线测试系统研制

卜强生， 宋 爽， 高 磊， 崔 玉， 张 志， 陆 伟

(1. 国家电网公司变电站智能设备检测技术重点实验室， 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院, 江苏省南京市 211103；2. 国网江苏省电力有限公司， 江苏省南京市 210024； 3. 国家电力调度控制中心， 北京市 100031；4. 武汉中元华电科技股份有限公司， 湖北省武汉市 430223)

0 引言

继电保护装置作为电网安全运行的第一道防线，其快速、正确的动作性能至关重要。保护装置在投运前以及运行过程中都必须通过严格的测试，以保证其功能和性能满足要求。随着保护装置数量不断增多，试验人员已无法满足检测工作量大幅增长的需求。因此，保护装置的自动测试成为近年来业界研究热点，检测机构及设备制造商针对智能化继电保护设备的自动测试平台开展研究[1-5]，以期解决传统手动检测方式下测试效率低下、易受人为因素影响等问题。然而，不同厂家及型号的保护装置在通信协议、对外接口等方面存在较大差异，现有的各类测试系统难以兼容不同装置的自动测试。

保护装置就地化是国家电力调控中心的重点工作，也是继电保护未来的发展趋势[6]。在国家电网有限公司保护“六统一”和信息规范的基础上[7-8]，就地化保护进一步统一装置尺寸和接口，增强装置自身防护能力，旨在优化变电站二次系统建设方案[9-11]，提升继电保护动作可靠性，减少装置现场试验、运维工作量。就地化保护装置在设备尺寸、应用模型、对外接口等方面趋于统一，这为真正实现装置全功能高效自动闭环检测创造了有利条件[12]。另一方面，就地化保护装置取消了液晶面板，对外采用标准连接器，现有检测方法和系统已不能满足其推广应用的需求。

本文针对就地化保护装置提出一种流水线自动闭环检测方法，并研发检测系统。系统结合智能标签扫码、模型层级映射、自动定位装载等技术，实现不同类型就地化保护装置的流水线全自动检测，确保装置测试的高效性和正确性，以适应就地化保护装置的调试、运维和检修等工作，为实现“工厂化检测、更换式检修”的运维新模式提供技术手段。

1 流水线测试系统总体设计思路

标准化、小型化、高防护是就地化保护装置的显著特征。就地化保护的应用可以最大程度降低现场试验和运维的工作量和要求，大量验证工作在厂内或检测中心完成，实现“工厂化检测、更换式检修”的新模式。随着电力系统规模不断扩大，就地化保护的工厂化检测工作量将急剧增加，常规的依靠人工开展检测的方式无法适应技术发展要求。就地化保护工厂化检测应基于流水线检测系统自动开展，以提高检测的智能化和标准化水平，降低对试验人员的依赖程度。

流水线检测系统应能在就地化保护高度标准化的基础上自动识别装置类型并装载到相应的检测工位，全自动开展功能和性能的检测[13-14]，完成检测报告生成，为入网检测、基建调试、检修试验、改扩建验证等工作提供高效技术手段。检测系统应能实现以下基本功能。

1)装置信息获取：扫描就地化保护装置的智能标签自动识别装置类型，获取装置信息和配置文件。

2)定位装载和卸载：自动传输被测装置到相应检测工位，通过精确定位自动装载接入检测系统，检测完成后可自动卸载退出检测系统。

3)功能和性能自动检测：自动调用检测模板[15]，根据装置信息和配置文件进行实例化，按照模板全自动完成测试工作并形成报告。

为了实现对改扩建就地化保护的完整性测试以及对就地化元件保护子机的单体测试，检测系统除实现虚端子验证、定值校验、功能测试等功能外，还应具备变电站全景数据模拟和装置行为仿真能力[16]，提供运行保护和运行保护子机的测试环境。

2 流水线测试系统架构

2.1 系统硬件架构

为实现不同类型就地化保护的流水线自动检测，测试系统采用模块架构设计，在硬件系统方面，主要包括检测控制台、扫描模块、流水线平台、测试模块，如图1所示,图中：MMS表示制造报文规范。

图1 流水线测试平台系统架构Fig.1 System structure of assembly line testing platform

2.1.1检测控制台

检测控制台主要可分为数据模块和功能模块，通过相互配合共同完成检测项目、检测流程、检测结果以及就地化保护设备数据的统一管理。

1)数据模块

检测控制台的数据模块主要包含以下几部分。

①被测装置信息管理库：包含所有被测装置的类型、具体型号、版本、出厂编号、所属变电站、智能电子设备(IED)编号、具体调度命名、尺寸、结构、物理接口、定值单、检测情况等信息。

②变电站配置描述(SCD)文件库：包含所有被测装置所属变电站的SCD系统配置文件。

③检测报告库：包含所有被测装置检测完成后的检测报告存档。

2)功能模块

检测控制台的功能模块主要包含以下几部分。

①IED配置工具：用于从SCD文件中导出被测装置的配置并下装到被测装置中。

②检测模块：用于控制测试模块检测项目的开展、检测结果分析、检测报告自动生成。

③扫描控制模块：用于控制扫描模块进行被测装置的智能标签扫描，并接收反馈数据从数据模块中获取被测装置的信息。

④流水线平台控制模块：用于控制流水线平台进行被测装置的传输、定位及对接。

⑤保护智能管理模块：实现就地化保护智能管理单元的功能，通过MMS获取被测装置的保护事件、保护遥测、保护遥信、告警信息，并控制保护软压板、召唤和修改定值、调取故障录波等。

2.1.2扫描模块

对被测装置的智能标签进行扫描，并将信息反馈给检测控制台。

2.1.3流水线平台

将被测试装置自动传输至相应的工位，并通过精准定位将被测装置与工位上的接口自动对接，将被测装置自动装载至检测系统。为了满足多台装置同时检测，流水线平台上设置多个测试工位，每个测试工位设置一套标准接口，一端与就地化装置的航插接口连接，另一端通过电缆或光缆与测试模块连接。

2.1.4测试模块

与流水线平台的工位一一对应，接收检测控制台的检测任务，输出电压/电流量和开关量，并接收被测装置的动作信号反馈给检测控制台。测试模块输入输出可以是模拟量，也可以是通用面向对象变电站事件(GOOSE)和采样值(SV)。

2.2 系统软件架构

流水线测试不仅需要对保护功能开展自动测试，还需对采样准确度、输入输出回路等开展全面测试。由此，流水线测试系统软件采用层次化、标准化、模块化的设计思路，按照功能和作用对系统进行分层，分为平台层、服务组件层、应用层，如图2所示。通过定义各层之间交互数据的标准格式，提高系统的扩展性和移植性。

应用层由测试模块库、测试模板编辑器、测试实例管理器组成，完成测试项目分解和流程控制，并提供友好的人机交互操作。

服务组件层为应用软件的开发提供公共支撑平台，应用软件通过调用这些组件来完成相应的功能。

平台层由试验配置、状态序列机、数据回放机、时间同步、开入量报告等模块组成，其作用是接收上层的测试任务，驱动物理数据接口输出电压、电流、开关量、SV报文、GOOSE报文，并将被测装置响应信号反馈给上层应用软件进行数据分析。应用层和服务组件层在检测控制台实现，平台层在测试模块中实现。平台层和服务组件层间通过标准化的通信服务进行信息交互。

图2 流水线测试系统软件架构Fig.2 Software structure of assembly line testing platform

2.3 通用测试功能实现

为提高保护功能自动测试的通用性，解决现有自动测试可移植性差、应用开发依赖厂家等难题，有必要对各种测试功能和测试流程进行抽象，设计标准化的测试功能。距离保护、差动保护、过流保护、采样准确度等常用的功能测试可以分解为正常态、故障态、故障切除态、重合态等有限个状态来实现，每个状态的电压/电流量和开关量一般为稳态量或单一变化量。因此，设计一个增强型状态序列模块，每个状态能够输出幅值和频率单一变化或稳定的交流量，并能够叠加衰减直流分量，也能输出稳定或变化的开关量，以满足大部分保护功能闭环测试需求。对于系统振荡和现场复杂故障，状态反复变化或无固定规律，这类功能测试可由实际的录波数据回放来完成。

检测控制台应用层将具体的检测项目分解为不同的增强型状态序列或数据回放序列，然后通过服务组件层计算出每个测试序列的数据初值及变化情况，并采用标准协议将测试序列下发至测试模块的平台层执行，平台层根据接收到的状态计算并输出每个状态的实时数据，或直接将回放数据输出，如图3所示。平台层也将被测装置的GOOSE、开关量等响应信息反馈给服务组件层，控制测试序列的切换、影响状态数据的计算或用于测试结果的评判。增强型状态序列和数据回放序列的应用协议数据采用可扩展标记语言(XML)格式的字符串来描述，充分利用XML语言可扩展性、结构化、序列化特点。

检测控制台还通过MMS直接与被测装置交互信息，用以测试过程中投退被测装置的软压板、修改定值及获取被测装置的动作事件、遥测量及变位信息。测试结果评判时，需要综合利用测试模块接收到的被测装置响应信息及控制台直接获取的被测装置动作事件进行关联分析，以提高测试结果准确率。

图3 保护功能通用测试实现示意图Fig.3 Diagram of general test for protection function

3 流水线测试整体流程

检测控制台作为流水线检测系统的核心控制器，全程参与就地化保护装置的标签扫描、自动传输、定位装载、闭环测试、报告生成及装置卸载等工作，具体流程主要包括以下几个方面。

1)被测装置信息扫描。流水线测试任务启动后，检测控制台控制扫描模块通过射频阅读器或摄像头扫描被测装置标签，获取被测装置信息入口，并反馈给控制台，控制台通过信息入口从信息管理库获取包括装置类型、型号、版本、IED编号、尺寸、定值、配置文件等基本信息，确定被测装置检测工位。

2)被测装置自动传输。检测控制台根据被测装置信息通过流水线平台将装置自动传输至相应的检测工位。

3)被测装置定位装载。流水线平台根据被测装置“尺寸”信息与检测工位上的标准接口精确对准，然后将被测装置推入指定位置，实现与标准接口的可靠连接，并将“已接入”信号反馈至控制台。

4)测试项目形成。检测控制台根据被测装置信息，获取相关配置文件和通用测试模板，并进行信息映射，实例化测试模板中的通用参数信息，形成被测装置测试模板，确定被测项目和流程。

5)全功能自动闭环测试。检测控制台根据测试模板分解出具体的测试序列，并逐一将测试序列下发至测试模块，输出测试数据并接收响应信息，自动对被测装置进行闭环测试，直至所有项目测试完成。

6)检测结果自动生成。检测控制台依据被测装置的反馈结果，自动生成标准格式的装置检测报告并存档至报告库中。

7)被测装置卸载。测试完成后，检测控制台启动流水线平台工作，将被测装置退出检测工位。

4 测试系统关键技术及功能实现

就地化保护流水线自动测试，关键是在无人工干预的情况下，能够自动装载被测装置，并基于通用测试模板自动生成测试序列，然后利用被测装置的信息关联映射实现全方位功能和性能闭环测试。

4.1 自动传输装载技术

就地化保护在装置尺寸、接口、通信协议等方面实现高度标准化，为流水线测试中的自动定位和装载创造了条件。流水线测试系统采用电动滑台实现自动传输和装载，如图4所示，滑台主要由滑轨、定位工装、接口接插件等主要部件组成。

图4 电动滑台示意图Fig.4 Diagram of motor-driven sliding table

1)滑轨

分为横向滑轨和纵向滑轨，使用精密伺服电机控制，实现水平维度的横向和纵向双自由度精密移动，横向移动实现工位精确定位，纵向移动实现与接插件对接。滑轨位移精度优于0.03 mm/300 mm，当设计在1 000 mm范围内移动时，位移误差小于0.1 mm。

2)定位工装

用于固定被测装置，其尺寸、位置直接决定被测装置的横向定位精度，并与滑轨共同影响被测装置的纵向定位。不同型号被测装置的尺寸和接口位置可能不同，需通过调整工装的尺寸和位置实现精确定位。

3)标准接口接插件

与就地化保护的航插接口匹配，不同接插件安装于不同工位，满足不同就地化保护测试需求。纵向滑轨的力矩控制在一定范围之内，以实现被测装置与接插件对准时的可靠接入以及未对准时的可靠停止。

为兼容不同厂家的就地化保护装置存在接口位置误差，接插件接口的位置应具有一定的柔性度。接插件上航插接口垂直方向不可偏移，但应具有一定的水平横向偏移空间，并用弹簧固定，需施加一定推力才能偏移。接插件前端具有一个较大口径的导向槽，被测装置的航插接口位置即使有偏差也可进入导向槽。纵向滑轨的纵向推动力传递到导向槽后，转换为横向推力，带动接插件上航插接口发生水平横向偏移，实现被测装置的可靠接入。

图5 柔性接插件示意图Fig.5 Diagram of flexible connector

4.2 通用测试模板设计方法

就地化保护流水线检测，要按照测试模板中的项目逐一自动开展测试。以往测试模板一般都按照被测设备型号单独建模，存在重复性工作，且当被测设备配置文件修改后需要重新调整模板。为提升自动测试模板的通用性，减少配置工作量，流水线测试有必要建立通用测试模板，然后与配置文件映射实现通用测试模板的实例化，得到具体装置的专用测试模板，供自动测试使用。通用测试模板针对每一类型的保护建立，如线路保护、主变保护、母线保护等，兼容不同厂家、不同型号的装置。

通用测试模板手动建立，包含最大化测试项目集合，每个测试项目包含输入量及其通用路径、关联软压板及其通用路径、接收量及其通用路径等内容。测试项目包含一类保护设备所有可能测试项目，实例化过程中根据被测装置IED实例配置文件(CID)描述的功能进行选取和关联，形成被测装置的具体测试项目。输入量为测试项目所需施加的交流量或开关量，可以是模拟量形式，也可以是GOOSE/SV形式。关联软压板是测试过程中需要投入或退出的软压板。接收量是测试需要接入的被测装置响应信号，进行测试结果的评判。

通用测试模板中，所有输入量、关联软压板、接收量都只给出通用路径，其中逻辑设备类型、逻辑节点前缀、逻辑节点类、功能约束等信息已在标准中明确，可以直接在路径中明确。对于实例号、后缀、数据名称等不明确信息，则在路径中用通配符*表示。模板实例化过程中在被测装置CID文件中搜索通用路径中确定信息，同时匹配名称、描述，实例化“*”表示的内容。测试模板中，虚端子及压板等信息的通用路径和实例化路径见附录A表A1。

流水线测试过程中，结合通用测试模板和配置文件实例化形成专用测试模板。然后根据专用测试模板的测试项目形成测试序列，并根据模板中路径信息直接控制被测装置软压板，输出交流量和开关量，并接收被测装置响应信号，自动完成项目测试。

4.3 站控层/过程层信息模糊匹配关联技术

采样准确度、开关量对点的自动测试，需要过程层施加信号，利用站控层信息进行判断，测试过程中需要匹配被测装置过程层和站控层的关联信号。基于继电保护信息规范，就地化保护的动作、告警、状态变位等信息的分类及要求已明确，站控层信息描述趋于统一。如附录A表A2所示，为断路器位置、远传及闭重信号的过程层及站控层对应关系，站控层和过程层描述都已明确，但两者还是存在差异。

站控层和过程层的信息关联可以通过信号描述关键字模糊匹配的方式来实现。匹配过程中先将两个需匹配的信息进行关键字分解，N个字符长度的信息，可分解出N(N+1)/2个长度为1～N个字符的关键字；然后对两个信息分解出的相同长度的关键字进行比较，若相同则两个关键字相似度为100%，若不同则相似度为0；最终对N(N+1)/2个关键字相似度进行综合考核，计算出两个信息的相似度，若综合相似度比较高则认为两个信息是模糊匹配的。为了提高模糊匹配准确性，可以设定一些关键字为相同含义，如“断路器”和“开关”，这两个关键字是匹配的。

对于装置采样信息，由于目前没有明确规定，不同厂家站控层测量信息实例及名称描述不尽相同，难以直接建立关联关系，如附录A表A3所示。但采样信息的名称描述及数据对象(DO)、数据属性(DA)的描述比较明确，因此，可以通过名称描述、DO和DA综合模糊匹配的方式将过程层采样信号与站控层测量信息建立关联关系。

对于过程层为模拟量或硬接点信号情况，可以固定过程层信号的描述，如“电流A相”、“断路器位置A相”，然后模糊匹配站控层的关联信号，实现站控层和过程层的映射。

对于装置信息不规范而无法通过模糊匹配进行信息关联的情况，可以采用手动方式关联。测试模板实例化过程中，将需关联的信号全部列出，人为选择信号确定关联关系。

4.4 装置功能级虚拟实景数据仿真技术

为最大程度减少现场工作，真正实现就地化保护现场即插即用、更换式检修的目标，流水线测试系统还需模拟现场二次系统运行环境，仿真二次设备功能逻辑，提供系统性能仿真测试能力。

为还原设备现场运行的实景工况，测试系统应能虚拟保护装置的功能逻辑外特性、分布式保护环网协议。功能逻辑外特性应能仿真装置的差动保护、距离保护等功能，接收SV/模拟量、GOOSE/开关量等进行逻辑判别和动作，并依据SCD文件发送MMS和GOOSE报文，实现与被测装置信息和逻辑互动。分布式保护环网协议主要模拟环网数据，为保护子机独立测试提供运行和测试环境，也可验证分布式保护环网协议的规范性。

系统性能仿真测试过程中，根据被测装置类型、SCD文件及二次设备连接关系，装载并配置虚拟保护装置及子机，共同构建与变电站现场运行环境相同的二次系统模拟环境，开展系统逻辑功能和互通性验证，前者主要包括模拟典型故障，验证被测装置的动作行为及与相关设备配合关系的正确性，如信号交互、动作时间配合等；后者则主要验证被测装置配置信息、虚端子与其他装置配合性能的正确性，为现场保护搭接提供安全保障。

5 结语

本文提出就地化保护装置流水线检测方法，并对流水线测试系统的设计思路、软硬件架构、测试流程、关键技术及功能实现等内容进行了介绍。该系统可自动实现被测装置定位、传输、装载、闭环测试等流程，并提供基于装置功能级仿真的变电站全景数据运行环境，真正实现保护装置的“工厂化流水检测，现场更换式检修”，最终形成就地化保护装置测试的快速化、自动化、规范化和标准化新模式。下一步将根据就地化保护的试点应用情况，进一步完善SV 输出能力、环网一致性等新增需求的自动测试功能。

感谢国网江苏省电力公司科技项目“就地化继电保护装置流水线自动检测技术研究”(J2017036)对本研究工作的支持。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。